二维氮掺杂石墨烯/磷烯异质结力学性能及储钠应用研究
发布时间：2021-02-18 05:11
磷烯是一种具有褶皱蜂窝层状结构的二维材料,有着优异的光、电、磁等性能,在半导体、光催化、电化学储能等领域有巨大的应用潜力。然而磷烯在空气或水中会因为严重的表面氧化而导致结构不稳定,极大地限制了其实际应用。研究表明,将磷烯与另一种具有良好化学稳定性的二维基体材料（如石墨烯）结合形成二维异质结可有效抑制磷烯表面氧化。与本征石墨烯相比,氮掺杂石墨烯通过不同类型的氮掺杂可实现对石墨烯性能的精细调控从而获得更好的光电性能,高的表面反应活性和良好的生物相容性等,从而为其实际应用提供更多潜在可能。本文针对二维氮掺杂石墨烯/磷烯异质结的力学性能及储钠行为进行了系统地研究,主要工作和内容如下:（1）从理论上设计构建了四种类型的二维磷烯/石墨烯异质结,分别由本征石墨烯及三种常见类型的氮掺杂石墨烯（石墨型氮掺杂石墨烯、吡啶型氮掺杂石墨烯、吡咯型氮掺石墨烯）与磷烯异质组成。通过第一性原理计算,对构建的四种异质结的几何结构、电子性质、力学性能进行了系统地研究。计算结果表明,四种二维异质结都具有良好的结构稳定性,同时各异质结继承了石墨烯基底优异的力学性能。相比于本征石墨烯/磷烯异质结,由于氮原子的掺杂改变了本征石...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本征石墨烯及三种氮掺杂石墨烯晶体烯；(c)吡啶型氮掺杂石墨
湘潭大学硕士学位论文4于导电，同时磷烯在空气及水中不稳定，容易被氧化而导致结构破坏，这限制了其实际应用。为了解决这一问题，许多科研研究者致力于对磷烯进行掺杂、缺陷、吸附等调控手段以提高磷烯的性能，或者通过与其他二维材料异质形成新的二维结构来提高材料的电子性能，提高磷烯的稳定性[15]。图1.2磷烯晶体示意图1.2.3二维异质结二维材料无论是多层还是单层，其上下两个表面的原子都会暴露在外面，这为科研人员研究二维材料的复合与表面改性提供了多种选择。在材料科学中，复合材料指将不同性质的材料优化组合而形成的新材料，其核心为取长补短，多为两种或多种材料各有优点，各有缺点，且一种材料的优点恰好能弥补另一种材料的缺点，因此得到的复合材料不仅能保持各部分材料的优点，同时两种或者多种材料互补能够得到单一材料所不具备的优良性能。在微观层面上，研究人员将两种或两种以上的不同的二维材料垂直堆叠在一起形成一种新的二维材料，这种二维材料称之为范德华异质结。异质结的各组分之间并没有形成化学键，也就意味着彼此之间不具备化学连接，各组分通过相对较弱的范德华相互作用力物理组装在一起。早在2013年，Geim和Novoselov就对由不同二维单层材料搭建而成的范德华异质结的性能进行了一次深入的探讨[16]。异质结的模型示意图如图1.3所示，科学家形象地将范德华异质结比喻为乐高玩具，人们可以将不同的材料一层一层地堆积起来，不同材料，不同的搭建方法，可以构造出多种性能各异的范德华异质结，这些二维单层材料的组合在性能上将超越单一的二维材料。自石墨烯成功制备以后，其大量的二维材料出现，也为研究人员设计不同的异质结提供了许多可供选择的材料。合成不同种类的二维异质结材料仅仅只更改其?
湘潭大学硕士学位论文5图1.3范德华异质结构示意图[16]迄今为止，已有大量关于异质结材料的理论计算与实验合成研究。形如：Bian等[18]利用密度泛函理论研究了平面应变下多层黑磷烯和磷烯/石墨烯异质结构的电学性质。结果表明，在AA，AB和AC堆垛次序下，直接带隙转化为间接带隙的临界应变分别为10.5％，11％和9％，异质结从P型肖特基能垒转变到N型的临界应变为8.5%，所得理论计算结果可用于指导异质结应用于压力传感器器件。Guo等[19]基于第一性原理，研究了蓝磷烯/类石墨烯的GaN异质结构的界面性质，发现蓝磷烯/类石墨烯的GaN异质结构的边界能带随费米能级强度变化，并生成II型异质结构，内部电场有利于电子空穴对的分离，并限制了蓝磷烯/类石墨烯GaN界面中的载流子复合，表明该异质结是一种潜在的光解水材料。Khandelwal等[20]介绍了黑磷烯众多合成方法，涵盖液相剥离，机械剥离，高温高压诱导等，并就黑磷烯的优异电子性能作了大量报道。目前在储能领域对石墨烯与其他二维材料形成的异质结已经有许多的研究和应用，如石墨烯(Graphene)/磷烯(Phosphorene)异质结，石墨烯(Graphene)/二硫化钼(MoS2)异质结，石墨烯(Graphene)/六方氮化硼(BN)异质结等。这些范德华异质结构展现出了远远超出它们的单一组件更高特性，而各单层材料各自电子性质的保留正是由于层间的较弱的范德华力连接。Guo[21]等通过理论计算研究了磷烯/石墨烯异质结在Li离子电池负极材料方面的应用，结果表明磷烯/石墨烯异质结构相比于单层材料极大地提高了吸附能，同时Li离子在层间地迁移率也与单层结构中的相差很校磷烯与石墨烯的结合还大大加强了单层磷烯的刚度，有效地减少单层磷烯在嵌锂之后结构的变形及膨胀，大大提高Li离子电池的循环寿命。这些结果说明
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮原子吸附锯齿型石墨烯纳米带第一原理研究[J]. 于陕升,郑伟涛. 中国科技论文在线. 2009(04)
本文编号：3039081
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本征石墨烯及三种氮掺杂石墨烯晶体烯；(c)吡啶型氮掺杂石墨
湘潭大学硕士学位论文4于导电，同时磷烯在空气及水中不稳定，容易被氧化而导致结构破坏，这限制了其实际应用。为了解决这一问题，许多科研研究者致力于对磷烯进行掺杂、缺陷、吸附等调控手段以提高磷烯的性能，或者通过与其他二维材料异质形成新的二维结构来提高材料的电子性能，提高磷烯的稳定性[15]。图1.2磷烯晶体示意图1.2.3二维异质结二维材料无论是多层还是单层，其上下两个表面的原子都会暴露在外面，这为科研人员研究二维材料的复合与表面改性提供了多种选择。在材料科学中，复合材料指将不同性质的材料优化组合而形成的新材料，其核心为取长补短，多为两种或多种材料各有优点，各有缺点，且一种材料的优点恰好能弥补另一种材料的缺点，因此得到的复合材料不仅能保持各部分材料的优点，同时两种或者多种材料互补能够得到单一材料所不具备的优良性能。在微观层面上，研究人员将两种或两种以上的不同的二维材料垂直堆叠在一起形成一种新的二维材料，这种二维材料称之为范德华异质结。异质结的各组分之间并没有形成化学键，也就意味着彼此之间不具备化学连接，各组分通过相对较弱的范德华相互作用力物理组装在一起。早在2013年，Geim和Novoselov就对由不同二维单层材料搭建而成的范德华异质结的性能进行了一次深入的探讨[16]。异质结的模型示意图如图1.3所示，科学家形象地将范德华异质结比喻为乐高玩具，人们可以将不同的材料一层一层地堆积起来，不同材料，不同的搭建方法，可以构造出多种性能各异的范德华异质结，这些二维单层材料的组合在性能上将超越单一的二维材料。自石墨烯成功制备以后，其大量的二维材料出现，也为研究人员设计不同的异质结提供了许多可供选择的材料。合成不同种类的二维异质结材料仅仅只更改其?
湘潭大学硕士学位论文5图1.3范德华异质结构示意图[16]迄今为止，已有大量关于异质结材料的理论计算与实验合成研究。形如：Bian等[18]利用密度泛函理论研究了平面应变下多层黑磷烯和磷烯/石墨烯异质结构的电学性质。结果表明，在AA，AB和AC堆垛次序下，直接带隙转化为间接带隙的临界应变分别为10.5％，11％和9％，异质结从P型肖特基能垒转变到N型的临界应变为8.5%，所得理论计算结果可用于指导异质结应用于压力传感器器件。Guo等[19]基于第一性原理，研究了蓝磷烯/类石墨烯的GaN异质结构的界面性质，发现蓝磷烯/类石墨烯的GaN异质结构的边界能带随费米能级强度变化，并生成II型异质结构，内部电场有利于电子空穴对的分离，并限制了蓝磷烯/类石墨烯GaN界面中的载流子复合，表明该异质结是一种潜在的光解水材料。Khandelwal等[20]介绍了黑磷烯众多合成方法，涵盖液相剥离，机械剥离，高温高压诱导等，并就黑磷烯的优异电子性能作了大量报道。目前在储能领域对石墨烯与其他二维材料形成的异质结已经有许多的研究和应用，如石墨烯(Graphene)/磷烯(Phosphorene)异质结，石墨烯(Graphene)/二硫化钼(MoS2)异质结，石墨烯(Graphene)/六方氮化硼(BN)异质结等。这些范德华异质结构展现出了远远超出它们的单一组件更高特性，而各单层材料各自电子性质的保留正是由于层间的较弱的范德华力连接。Guo[21]等通过理论计算研究了磷烯/石墨烯异质结在Li离子电池负极材料方面的应用，结果表明磷烯/石墨烯异质结构相比于单层材料极大地提高了吸附能，同时Li离子在层间地迁移率也与单层结构中的相差很校磷烯与石墨烯的结合还大大加强了单层磷烯的刚度，有效地减少单层磷烯在嵌锂之后结构的变形及膨胀，大大提高Li离子电池的循环寿命。这些结果说明
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮原子吸附锯齿型石墨烯纳米带第一原理研究[J]. 于陕升,郑伟涛. 中国科技论文在线. 2009(04)
本文编号：3039081
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